Способ активации воды

 

Изобретение относится к электрохимической обработке воды и водных растворов. Способ включает обработку воды электрическим током в электрическом поле, создаваемом плоскими электродами в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой. При активации используют электроды со сквозными отверстиями, электроды устанавливают в электролизере с возможностью дискретного изменения расстояния между ними, при этом в исходную воду добавляют раствор минеральных удобрений. Технический эффект - снижение энергоемкости технологического процесса активации и повышение эффективности активированной воды в растениеводстве. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электрохимической обработке воды и водных растворов, в частности к способам активации воды при лабораторных исследованиях для интенсификации (при ограниченных энергозатратах) технологических процессов в растениеводческой отрасли сельского хозяйства.

Известны принципиальная схема бытового активатора и соответствующий способ активации воды, согласно которому электрохимическую обработку воды проводят постоянным электрическим током в электрическом поле, создаваемом плоскими электродами (электродами - пластинами из химически чистого графита) в анодной и катодной зонах активатора, разделенных керамической диафрагмой (см. материал "Вокруг "живой" воды" в журналах "Техника и наука" за 1985 г., 5, с. 43-45 и 6, с. 36-38). В этом активаторе плоские электроды постоянно располагаются по краям корпуса (ТиН, 1985, 5, с. 44), при этом активированную воду рекомендуется использовать в ряде отраслей, в том числе в растениеводстве (ТиН, 1985, 6, с. 36-37).

Технический недостаток известного способа активации воды: повышенная энергоемкость получения "продуктов" активации - анолита и католита и отсутствие технологических приемов для снижения затрат энергии и времени при активации, а также отсутствие средств для повышения эффективности активированной воды в растениеводстве.

Известен также способ активации воды, включающий обработку воды электрическим током в электрическом поле, создаваемом плоскими электродами в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой (RU 2129530 С1, МПК⁶ С 02 F 1/46, 1/461, 1999). При реализации данного способа плоские электроды - анод и катод (следует из фиг.1) также расположены по краям корпуса электролизера (активатора) на предельном расстоянии от диафрагмы.

Технический недостаток данного способа: высокая удельная энергоемкость технологического процесса активации воды, что объясняется крайне низкими электролитическими свойствами дистиллированной воды, на которой работает электролизер (включено в формулу изобретения), и удаленностью электродов друг относительно друга; отсутствие технологических приемов для снижения энергоемкости - в случае сближения электродов степень активации воды в заэлектродных объемах будет неприемлемой; предлагаемый способ создания неравномерной напряженности электрического поля носит лишь характер постановки задачи; отсутствие средств для повышения эффективности активированной воды в растениеводстве.

Техническая задача: снижение энергоемкости технологического процесса активации и повышение эффективности активированной воды в растениеводстве за счет использования особых электродов, вытекающей из этого возможности изменения расстояния между ними и добавления в исходную воду минеральных удобрений.

Согласно изобретению при активации используют электроды со сквозными отверстиями, электроды устанавливают в электролизере с возможностью дискретного изменения расстояния между ними, при этом в исходную воду добавляют раствор минеральных удобрений. Наряду с этим в раствор минеральных удобрений включают компоненты, содержащие, по крайней мере, азот, фосфор и калий; концентрация удобрений в исходной воде составляет 2,8-3,2%.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема электролизера; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - графическая интерпретация технологического процесса активации воды; на фиг.4 - то же, с 3 %-ным водным раствором минеральных удобрений.

Электролизер для активации воды (фиг.1 и 2) включает: корпус 1 из диэлектрического материала, электроды - анод 2 и катод 3, а также диафрагму 4. При активации используют плоские толстостенные электроды преимущественно из химически чистого графита или углерод-углеродной композиции; в электродах предусмотрены сквозные отверстия 5. Электроды - анод 2 и катод 3 устанавливают в электролизере симметрично относительно диафрагмы 4 с возможностью дискретного изменения расстояния l между ними. Расстояние l может изменяться от l₁ до l₂, но при любом значении l электроды не касаются торцевых стенок корпуса 1, т.е. не располагаются по краям корпуса, а также не касаются диафрагмы 4. В связи с этим при активации воды в электролизере образуются: две анодные зоны - анодная доэлектродная 6 и анодная заэлектродная 7 и соответственно две катодные зоны - катодная доэлектродная 8 и катодная заэлектродная 9. До активации в исходную воду добавляют раствор минеральных удобрений; в раствор включают компоненты, содержащие, по крайней мере, азот, фосфор и калий, например, в соотношении 1:1:1. Оптимальная концентрация удобрений в исходной воде составляет 2,8-3,2% (будет доказано ниже).

Для проверки эффективности предлагаемого способа активации воды проведены многочисленные опыты и экспериментальные исследования, которые можно разделить на 5 групп: 1) серия поисковых экспериментов по активации воды (без раствора минеральных удобрений) с варьированием расстояния l между электродами 2 и 3 - в диапазоне от l₁ до l₂ и напряжения U на электродах с определением оптимальных показателей активации воды по критерию минимума рН анолита и максимума рН католита; 2) активация воды при предельном расстоянии между электродами - электроды располагали по краям корпуса 1, несмотря на то, что такое положение электродов не рекомендуется и противоречит существу предлагаемого способа; 3) серия поисковых экспериментов по активации воды с раствором минеральных удобрений при включении в раствор равного количества азота, фосфора и калия; 4) предпосевная обработка семян овощных культур путем их замачивания в активированной воде и в активированном водном растворе минеральных удобрений; 5) возделывание томатов с поливами растений в определенной последовательности обычной и активированной водой, а также водой и активированным водным раствором минеральных удобрений.

Приведенные ниже данные являются усредненными по результатам серии опытов и экспериментов. При активации обычной (водопроводной) воды - без минеральных удобрений расстояние l между электродами варьировали в диапазоне 70-220 мм, а напряжение постоянного тока на электродах U=50-200 В. По критерию минимума рН анолита и максимума рН католита l=120 мм, U=150 В, при этом время активации составляет 25 мин. После 25 мин активацию продолжали, но при этом рН анолита повышался, а рН католита снижался, т. е. происходил перегиб кривых и, следовательно, потеря экстремальных значений рН. При иных значениях l и U время активации также составляло примерно 25 мин, но при этом показатели рН анолита и католита ухудшались. Оптимальный технологический процесс активации воды (без удобрений) графически интерпретируется кривыми (фиг. 3), где А - анолит, К - католит, при этом минимум рН анолита достигает 4,2, а максимум рН католита - 9,0.

При экспериментах второй группы напряжение U постоянного тока на электродах и расстояние l между электродами принимали максимальными: U=200 В; l= 220 мм. В этом варианте время активации составляет не менее 40 мин, а показатели рН анолита и католита ухудшаются примерно на 15-20% по сравнению с оптимальными значениями для воды (фиг.3). За счет увеличения напряжения на электродах и времени активации энергоемкость технологического процесса возрастает более чем в 2 раза при ухудшении показателей активированной воды.

При активации воды с оптимальными значениями расстояния l и напряжения U (фиг. 3) доэлектродные 6; 8 и заэлектродные 7; 9 зоны активатора становятся примерно одинаковыми (доэлектродные несколько большие). В связи с этим образующиеся в анодной доэлектродной зоне 6 "продукты" электрохимического окисления воды с выделением кислорода, положительных ионов водорода и отрицательных электронов 2Н₂О-->О₂+4Н⁺+4е^-, а также разряд ионов хлора, который имеется в природной воде и особенно в водопроводной воде, беспрепятственно перетекают через сквозные отверстия 5 из доэлектродной зоны 6 в заэлектродную зону 7 и обратно и находятся в динамическом равновесии. Одновременно с этим в катодной доэлектродной зоне 8 происходит электрохимическое восстановление с выделением газообразного водорода и образованием гидроокисла 2Н₂О+2е^--->Н₂+2НОН^-; эти "компоненты" через сквозные отверстия 5 в катоде 3 свободно перетекают из доэлектродной зоны 8 в заэлектродную зону 9 и также находятся в динамическом равновесии. Экспериментальные данные подтверждают идентичность электрохимических показателей в обоих - анодной и катодной зонах. Благодаря этому за счет сближения расстояния между электродами при наличии в них сквозных отверстий удается уменьшить напряжение на электродах и время технологического процесса активации, т.е. снизить энергоемкость процесса при улучшении качества активированной воды.

В третьей группе опытов в исходную воду добавляли раствор минеральных удобрений, включающий компоненты, содержащие, по крайней мере, азот, фосфор и калий в соотношении 1:1:1 - по 16% каждого элемента по массе с концентрацией удобрений в исходной воде 1,0-5,1%. Водный раствор минеральных удобрений существенно изменяет электролитические свойства полученной смеси - при концентрации до 5,1% электрохимическая активация происходит бурно с резким повышением силы тока в растворе. Для обеспечения безопасности и управляемости технологического процесса активации расстояние l между электродами увеличивали до 220 мм, напряжение U постоянного тока снижали до минимально возможной стабильной величины - 20 В, концентрацию удобрений снизили до 2,8-3,2% (среднее значение 3%); проводили также опыты с концентрацией удобрений в диапазоне 1,0-3,2%. При концентрации удобрений в среднем 3%, l=200 мм, U=20 В технологический процесс активации интерпретируется своими кривыми (фиг. 4), где А - анолит, К - католит. В этом варианте оптимальное время активации снижается и составляет 20 мин, рН анолита также снижается и достигает 3,0, а рН католита увеличивается до 9,5. При дальнейшем снижении концентрации удобрений эти показатели ухудшаются, а при повышении концентрации неприемлемо возрастает сила тока на электродах. Концентрация ≈3% минеральных удобрений в исходной воде выбрана еще и потому, что при такой насыщенности воды азотом, фосфором и калием еще возможна внекорневая подкормка (дождевание) сельскохозяйственных культур, в частности овощей. Благодаря этому достигается дальнейшее снижение энергоемкости технологического процесса активации и повышение эффективности активированной воды за счет снижения напряжения на электродах и времени активации, улучшение показателей и качества анолита и католита применительно к их использованию в растениеводстве. По данным химических анализов часть солей фосфора и калия разлагается при активации, а большая их часть остается в первоначальном состоянии.

Проверку эффективности обычного и минерализованного католита (четвертая группа опытов) проводили при предпосевной обработке (замачивании) семян овощных культур в следующих средах:
1) без замачивания (контроль);
2) минерализованный 3%-ный раствор католита - 5 часов;
3) то же - 20 часов;
4) католит - 5 часов;
5) то же - 20 часов.

По сумме всех показателей наилучшим оказался вариант 2 - после замачивания семян в минерализованном католите на протяжении 5 часов всхожесть семян составила 99,8%, а выживаемость растений - 95,0%. Это рекордно высокие показатели, подтверждающие эффективность предложенного способа активации. По сравнению с контролем эти показатели выше соответственно на 24,7 и 35,7%, а по сравнению с вариантом 4 (замачивание в католите 5 часов) - на 17,4 и 18,7%. Увеличение продолжительности замачивания до 20 часов (варианты 3 и 5) приводит к ухудшению показателей.

Проверку эффективности действия активированной воды и минерализованных растворов при возделывании овощей (пятая группа опытов) проводили на примере районированного сорта томатов Новичок. Поливы (орошение) растений проводили следующими флюидами:
1) обычная вода (контроль);
2) католит;
3) католит + анолит=50:50%;
4) католит + анолит=80:20%;
5) минерализованные католит + анолит=80:20%.

Поливы активированными водой и растворами по вариантам 2-5 чередовали с поливами обычной водой - один полив активированными флюидами приходился на два полива обычной водой. В серии опытов 1-4 наилучшим казался вариант 4 (указанная смесь католита и анолита), в котором по сравнению с контролем урожайность томатов возрастает на 22%, а крупность плодов - примерно на 40%. Поливы минерализованным активированным раствором проводили после того, как было выявлено оптимальное сочетание католита и анолита для томатов (вариант 4). На основании этого поливы минерализованным раствором представлены одним вариантом 5, в котором по сравнению с вариантом 4 показатели урожайности и крупности плодов возрастают в среднем на 18%.

Таким образом, экспериментальные исследования подтверждают снижение энергоемкости технологического процесса активации и повышение эффективности активированной воды в растениеводстве согласно предлагаемому способу активации.

Формула изобретения

1. Способ активации воды, включающий обработку воды электрическим током в электрическом поле, создаваемом плоскими электродами в анодной и катодной зонах электролизера, разделенных диафрагмой, отличающийся тем, что при активации используют электроды со сквозными отверстиями, электроды устанавливают в электролизере с возможностью дискретного изменения расстояния между ними, при этом в исходную воду добавляют раствор минеральных удобрений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в раствор минеральных удобрений включают компоненты, содержащие, по крайней мере, азот, фосфор и калий.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что концентрация удобрений в исходной воде составляет 2,8-3,2%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4